石小红,詹传明

(宜昌测试技术研究所,湖北宜昌 443003)

热处理对变质处理铸铁组织和力学性能的影响

石小红,詹传明

(宜昌测试技术研究所,湖北宜昌 443003)

在熔炼过程中对成分为1号:3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-2.0Ni;2号:3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-4.0Ni-0.7Mo的铸铁进行复合变质处理,制备变质铸铁试样。对试样进行球化退火、淬火及回火处理。观察试样各种状态的微观组织,测定其宏观硬度和抗拉力学性能。结果表明:变质处理能显著破坏碳化物网状结构,得到彼此孤立的块状碳化物。在950℃淬火后变质试样,分别在300℃、430℃、630℃回火,结果显示,随着回火温度的升高,马氏体完全分解的数量增多,硬度逐步下降。球化处理后,组织中出现了大量球粒状珠光体和渗碳体,硬度下降;两种铸铁抗拉强度分别为880 MPa和1 050 MPa,伸长率为2.8%、2.4%。

白口铸铁;变质处理;淬火回火;球化退火

在通常铸造条件下,普通白口铸铁中的碳化物(Fe3C)多以共晶莱氏体组织存在,呈粗大的网状、块状形态,这不利于随后热处理过程中碳化物的溶解和组织的析出,严重降低了铸铁的韧性。因此,在实际生产中,人们通过加入合金化元素或变质剂[1～3]以及通过后续的热处理[4]来改善其组织,从而达到降低热处理的难度和成本,提高使用性能的目的。

目前,人们在改善白口铸铁组织和性能方面已进行了一定的研究,如符寒光等[5,6]研究了稀土和碱土金属对低钨合金白口铸铁共晶碳化物球团化的影响,王仲任[7]研究了Re-A1-Bi-Mg对高铬白口铸铁进行复合变质的动力学效应,Bedolla-Jacuinde等[8]研究了 Ti-RE-Bi对低铬白口铸铁共晶凝固过程的作用,这些研究都表明复合变质剂能显著改善白口铸铁的组织和性能。

变质处理可以细化碳化物,改变碳化物的分布、形态。廖敏等[9]在实验中对普通白口铸铁进行了变质处理,显著打碎了粗大的网状的渗碳体,他指出了复合变质剂的作用机理:复合变质剂的加入,尤其是稀土等低熔点元素的加入,提高了初生奥氏体的析出温度和扩大其结晶温度区间,有利于初生奥氏体的形核。稀土对碳化物的变质作用机制是:几种碳化物相的亚颗粒依附于同核心的多维析出,并与核心所处的能量状态有关。悬浮于熔池液相内的高熔点稀土化合物质点具有极高的表面能,而在其高能表面上若有新相析出,即可使其转变为低能状态。

本文主要研究讨论不同热处理工艺对低Cr变质白口铸铁的组织和性能的影响。

1 实验过程

采用纯铁、石墨、硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、镍铁等作原料,配制成白口铸铁的化学成分列于表1。熔炼在中频感应电炉中进行,熔炼温度为 1 450～1 500℃。熔体经扒渣,除气后,采用包内冲入法(或钟罩压入)将用铝箔包裹的变质剂加入。变质剂为稀土镁等组成的自制的复合变质剂。变质熔体静置45 s后,用金属模浇铸成尺寸Φ10×20的圆棒。试样先在箱式电阻炉内900℃×5 h均匀化退火,后随炉冷却。然后接着950℃×5 h深度退火,后随炉冷却。退火后试样在箱式电阻炉内进行热处理:(1)淬火+中高温回火工艺:淬火加热温度为900℃,保温时间是1 h,空冷。试样回火温度分别是300℃、430℃、630℃,保温时间均为1 h,空冷;(2)球化处理工艺:不完全奥氏体化+等温球化:900℃×1 h炉冷至700℃保温1 h后空冷。

球化处理后的试样用线切割法加工成标准静拉伸试样,在Instron1195材料试验机上进行室温拉伸试验,拉伸速率为2 mm/min,然后测量其拉伸强度和延伸率。

表1 材料的化学成分 %

2 实验结果与分析

2.1 不同回火温度对变质后铸铁组织和力学性能的影响

1号试验回火后的金相组织如图1所示。图1 (a)、(b)、(c)为1号试样在950℃保温1 h后淬火,然后在300℃、430℃、630℃回火后的组织。图1 (d)为1号试样在950℃保温1 h后,炉冷到700℃保温1 h,然后空冷后的显微组织。1号试样300℃回火后,组织由回火马氏体(暗黑色粒状)+残余奥氏体+渗碳体组成。其中回火马氏体应该是由片状马氏体和分布在其上的细小的过渡碳化物组成。430℃回火后,过渡碳化物变为细小的渗碳体,球粒状。颜色较深者为α固溶体(铁素体)和残余奥氏体。同时可以看到,原来渗碳体的薄弱连接处断裂,块状的渗碳体球化;630℃回火后,图1b中的粒状渗碳体反而变少,取而代之的是光镜下不易分辨的珠光体,如图1d中珠光体片层变厚,500倍下可以明显分辨,同时还保留了少量的粒状渗碳体,形成混合珠光体。

图1 1号试样回火后的金相组织(500倍)

2号试样回火后的金相组织如图2所示。图2 (a)、(b)、(c)为2号试样在950℃保温1 h后淬火,然后在300℃、430℃、630℃回火后的组织。图2 (d)为2号试样在950℃保温1 h后,炉冷到700℃保温1 h,然后空冷后的显微组织。如图2(a),试样在300℃回火后,组织由马氏体(白的针状物)+残余奥氏体+残余渗碳体组成,由于奥氏体化温度较低,所以残余渗碳体的含量较多,只是在一定程度上打断了渗碳体的网状结构;430℃回火后,回火马氏体转变为回火索氏体(球粒状渗碳体+α固溶体)。残余马氏体含量变少、细化。原来的渗碳体更加孤立成更小的块状。630℃回火后,图2(b)中的细小针状马氏体基本上消失,只保留了较大块的呈长条状的马氏体组织。如图2(d)图中渗碳体相比于(a)、(b)、(c)分布要均习,但是其尺寸却有大有小。淬火后回火,组织的转变过程包括:(1)马氏体分解及碳化物的析出和长大:淬火马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。一旦加热,马氏体就会分解(析出过饱和的碳),碳偏聚继而形成过渡碳化物;温度足够高时,形成碳化物,马氏体最终转变成平衡态的铁素体和碳化物,并引起碳化物的长大和球化;(2)残余奥氏体分解:温度较高时,残余奥氏体分解为过饱和的α固溶体和碳化物,是回火马氏体的一部分组成; (3)α固溶体基体的回复、再结晶和晶粒长大。

图2 2号试样回火后的金相组织(500倍)

2.2 不同回火温度对变质后铸铁硬度的影响

1号、2号试样随回火温度的升高,硬度的变化趋势如图3所示。1号、2号试样的硬度随着回火温度的升高而降低。这是因为回火过程中,一直伴随着马氏体的分解。碳偏聚继而形成过渡碳化物和渗碳体,马氏体失去了原本的固溶强化作用。同时回火过程中有残余奥氏体的分解,析出渗碳体,使硬度增高。但这种趋势抵不过马氏体分解对硬度降低的趋势。同时,2号试样硬度下降没有1号试样那么明显,结合组织分析可知:这是因为2号试样在回火时,马氏体转变速度比较慢,金相组织中可看到残余的马氏体。另一方面,在630℃回火时,马氏体分解完后,接着由于温度过高,渗碳体的粗化和球化、铁素体的回复和等轴化也引起硬度的进一步降低。

2.3 球化处理工艺对变质后铸铁组织和性能的影响

由图1(d)的金相组织可看出,1号变质后的铸铁变质后的超高碳钢经过球化处理后,珠光体得到球化,原来的部分渗碳体也得到球化。

图3 试样硬度随回火温度的变化关系

球化退火之所以能获得球粒状珠光体,主要是由于:在加热保温、随炉缓冷及稍低于Ar1的等温停留过程中,珠光体的渗碳体片和网状渗碳体片(特别是其中最薄弱的部分),会沿着亚晶界逐渐溶解,并断裂成不规则形状的点状碳化物,然后为了降低界面能,这种点状碳化物就逐渐球化。同时,加热过程中,未溶碳化物就会由片状逐渐变为球状,而在随后的慢冷或等温保持中,不均匀奥氏体中的高碳处,会成为碳化物的形核位置,从而使一部分碳化物直接长成球状。另一部分仍以片状成长的碳化物则在随后的慢冷或等温过程中逐渐球化。第二相颗粒在基体中的溶解度与其曲率半径有关,曲率半径越小的颗粒在基体中的溶解度越大。根据这一原理小颗粒会溶解,大颗粒会长大。这一原理可以解释片状碳化物发生破解和变圆的过程。

由图3可看出,1号变质后铸铁球化处理后硬度均大幅降低。这是因为片状珠光体的硬度比球粒状珠光体的硬度要高。在片状珠光体中,片状渗碳体将铁素体分割开,从而能有效地阻止形变。因此,片状的珠光体硬度较高,强度较高。图3中显示:2号变质后铸铁在这种热处理工艺下,硬度变大。这由金相照片中的组织可得到解释。如图2(d),球化渗碳体的含量比较少,出现了针状物。这种针状物可能是未发生共析转变的残余奥氏体过冷至550℃至Ms点的温度范围内发生贝氏体转变。对1号和2号试样进行拉伸试验,测得其拉伸强度分别是1 050 MPa,880 MPa;延伸率分别是2.4%,2.8%。

3 结 论

1.采用自制的复合变质剂对普通铸铁进行变质处理,能显著破坏碳化物的网状结构,使碳化物更加孤立,得到破碎的块状碳化物。

2.试样在950℃淬火后,分别在300℃、430℃、630℃回火,随着回火温度的升高,硬度逐渐减小。

3.试样在950℃保温1 h炉冷至700℃保温1 h后空冷,这样球化处理后得到球粒状的珠光体和渗碳体,硬度比淬火+回火工艺后低很多。

4.因试样含碳量很高,球化处理的温度太低不足以使渗碳体完全溶入奥氏体,进而冷却时不能完全球化。因此,试样球化处理后伸长率很低,塑性不好。

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[7] 王仲任.高铬白口铸铁复合变质的作用及动力学效应[J].大型铸锻件,2005,(3):25-26.

[8] Bedolla-Jacuinde A,Aguilar S L,Hernandez B.Eutectic modification in a low-chromium white cast iron by a mixture of titanium, rare earths,and bismuth:I.Effect on microstructure[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2005,14(2):149-115.

[9] 廖敏.添加铬合金化和复合变质处理对白口铸铁组织性能的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2007,38(6):1 067-1 071.

The Effects of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Modified Cast Iron

SHI Xiao-hong,ZHAN Chuan-ming
(Testing Technology Institute of Yichang,Yichang443003,China)

The modified cast iron specimens were prepared by bringing the multi-modification into the melt during melt-casting process.Alloy 1:3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-2.0Ni;Alloy 2:3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-4.0Ni-0.7Mo.The specimens are annealed.The optical images shows that the lattice structure of carbides were broken and the carbides became isolated after modification.The specimens were quenched at 950℃,then tempered alternatively at 300℃,430℃,630℃,the optical images shows that the martensite decreased and the hard-ness decreased with the increase of temperature.A spheroidizing technology was applied to the specimens.There is some spherical pearlite and cementites appeared,and the hardness is lower than the tempered specimens.The tensile strength of the modified cast iron 1 and 2 are 880 MPa and 1 050 MPa respectively,while the elongation is poor,2.8%and 2.4%.The probable reason is that the temperature of spheroidizing anneal is low that there are still unspherical cementites.

white cast iron;modification;tempering;spheroidization anneal

TG143

A

1003-5540(2010)06-0034-05

石小红(1966-),女,高级工程师,主要从事高强结构材料研究工作。

2010-09-12